中新網(wǎng)北京3月13日電 (記者 孫自法)在中國神話(huà)傳說(shuō)和佛教故事中，哪吒“以蓮藕重塑肉身”、為佛像“重塑金身”等說(shuō)法廣為流傳，其關(guān)鍵在于材料選擇。在現實(shí)世界，科學(xué)家們也執著(zhù)于給材料“重塑金身”的探索研究，以期引領(lǐng)材料創(chuàng )新產(chǎn)業(yè)革命。

　　中國科學(xué)院物理研究所科研團隊最近在這一領(lǐng)域取得重要突破，他們成功為金屬“重塑金身”，實(shí)現厚度僅為一張普通A4紙百萬(wàn)分之一的單原子層金屬，這項被譽(yù)為給金屬打上“中國標簽”、有望開(kāi)創(chuàng )二維金屬研究新領(lǐng)域的重要成果論文，以“埃米厚度極限二維金屬的實(shí)現”(1埃米=100億分之一米)為題，北京時(shí)間3月13日凌晨在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線(xiàn)發(fā)表，審稿人認為“開(kāi)創(chuàng )了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域”“代表二維材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展”。

　　首次實(shí)現大面積二維金屬材料制備

　　論文共同通訊作者、中國科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員介紹說(shuō)，二維材料近一個(gè)世紀以來(lái)被普遍認為不存在，但自2004年單層石墨烯發(fā)現以來(lái)(該研究2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎)，二維材料極大顛覆了人類(lèi)對材料的原有認知，并引領(lǐng)凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域的系列突破性進(jìn)展，開(kāi)創(chuàng )基礎研究和技術(shù)創(chuàng )新的二維新紀元。

　　在過(guò)去20年中，二維材料家族迅速擴大，目前實(shí)驗可獲得的二維材料達數百種，理論預測近2000種。不過(guò)，這些二維材料局限在層狀材料體系，其三維母體的原子層通過(guò)弱的范德華力相連，可通過(guò)機械剝離等方式來(lái)獲得二維單層?？v觀(guān)整個(gè)材料數據庫，層狀材料的占比非常小，97.5%以上的是非層狀材料，如生活中隨處可見(jiàn)的金屬。

　　不同于層狀材料(類(lèi)似千層餅結構，很容易剝出完美一層)，金屬由于每個(gè)原子在任意方向均和周?chē)佑袕姷慕饘冁I相互作用(類(lèi)似壓縮餅干)，要想將其重塑為原子極限厚度的二維金屬，就好比從壓縮餅干中剝出像千層餅那樣完整的一層來(lái)一樣而極具挑戰性。

　　科研團隊指出，二維材料可分為二維層狀材料和二維非層狀材料，以前的研究雖然發(fā)現很多二維材料，但基本局限在二維層狀材料，而金屬是非層狀材料，這次研究在原子極限厚度下二維金屬的實(shí)現超越當前二維層狀材料體系，填補了二維材料家族的一大塊拼圖。

　　盡管過(guò)去實(shí)驗中觀(guān)察到一些非常薄的金屬材料，但橫向尺寸面積很小，一般小于100納米，從納米材料定義來(lái)看，這些材料應該算零維(而不是二維)材料。此外，以前制備的薄層金屬和襯底有非常強的化學(xué)鍵相互作用，不能算嚴格意義上的本征二維金屬。

　　本次研究是首次實(shí)現大面積二維金屬材料的制備，也是首次實(shí)現環(huán)境穩定的二維金屬，以前小尺寸的薄層金屬非常不穩定，這次制備二維金屬測試顯示一年沒(méi)有任何性能退化。

　　二維金屬厚度僅A4紙百萬(wàn)分之一

　　在本項研究中，面對如何獲得二維金屬的挑戰，張廣宇帶領(lǐng)團隊發(fā)展了原子級制造的范德華擠壓技術(shù)，通過(guò)將金屬熔化并利用團隊前期制備的高質(zhì)量單層二硫化鉬范德華壓砧擠壓，實(shí)現了原子極限厚度下各種二維金屬的普適制備，包括鉍、錫、鉛、銦和鎵。

　　這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬(wàn)分之一，也即一根頭發(fā)絲直徑的20萬(wàn)分之一?！叭绻岩粔K邊長(cháng)3米的金屬塊壓成單原子層厚，將可以鋪滿(mǎn)整個(gè)北京市的地面?！睆垙V宇形象闡釋說(shuō)。

　　范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層二硫化鉬所封裝，具有非常好的環(huán)境穩定性(在超1年的實(shí)驗測試中無(wú)性能退化)和非成鍵的界面，有利于器件制備以探測二維金屬的本征特性。

　　其電學(xué)測量表明，單層鉍的室溫電導率比塊體鉍的室溫電導率高一個(gè)數量級以上，同時(shí)，單層鉍展現出明顯的P型電場(chǎng)效應，其電阻可被柵壓調控達35%(塊體金屬通常小于1%)，為低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。此外，范德華擠壓技術(shù)還能以原子精度控制二維金屬的厚度(即單層、雙層或三層)，為揭示以前難以企及的層依賴(lài)特性提供了可能。

　　有望推動(dòng)人類(lèi)文明下一階段的發(fā)展

　　論文共同通訊作者、中國科學(xué)院物理研究所特聘研究員杜羅軍指出，此次原子極限厚度二維金屬的實(shí)現，不僅超越當前二維范德華層狀材料體系，補充了二維材料家族的一大塊拼圖，還有望衍生出各種宏觀(guān)量子現象，促進(jìn)理論、實(shí)驗和技術(shù)的進(jìn)步。比如，二維金屬既為材料理論研究提供一個(gè)理想的量子受限模型體系，也是實(shí)驗探索量子霍爾效應、二維超流／超導、拓撲相變等的絕佳載體。

　　張廣宇則認為，就像三維金屬引領(lǐng)了人類(lèi)文明的銅器、青銅和鐵器時(shí)代，原子極限厚度的二維金屬有望推動(dòng)下一階段人類(lèi)文明的發(fā)展，帶來(lái)超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明/柔性顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領(lǐng)域的技術(shù)革新與應用。

　　此外，范德華擠壓技術(shù)為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料也開(kāi)辟了有效原子級制造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應用勾勒出美好愿景。

　　至于本次研究多次提及的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)范德華擠壓，科研團隊科普稱(chēng)，它和通俗理解的兩個(gè)平面對頂擠壓一樣，只是采用的壓砧為原子級平整且無(wú)懸掛鍵的范德華材料，這是實(shí)現二維金屬的核心技巧之一。人們通俗理解的兩個(gè)平面，比如玻璃，金剛石等，雖然看起來(lái)很平，但其原子尺度很粗糙，要制備二維金屬，必須用原子級平整的材料來(lái)壓。

　　同時(shí)，從目前實(shí)現的結果來(lái)看，范德華擠壓能夠通過(guò)調控參數原子級精準地控制二維金屬的厚度，實(shí)現單層、雙層、三層，可以算原子級制造。(完)